TỔNG QUAN về MẠNG GSM và các THÀNH PHẦN TRONG hệ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

MỤC LỤC ‐ 1 - CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1.1. Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) GSM trước đây được biết như Groupe Spécial Mobile (nhóm di động đặc biệt), là nhóm đã phát triển nó, được thiết kế từ sự bắt đầu như một dịch vụ tế bào số quốc tế. Giao tiếp vô tuyến của GSM dựa trên công nghệ TDMA. Ý định ban đầu là các thuê bao GSM có khả năng di chuyển qua các biên giới quốc gia sẽ nhận được các dịch vụ di động và các tính năng đi theo cùng với họ. Kiểu GSM của Châu Âu hiện nay hoạt động ở tần số 900 MHz cũng như tần số 1800 MHz. Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng cho dịch vụ PCS 1900 tại vùng đông bắc California và Nevada. Do PCS 1900 sử dụng tần số 1900 MHz, nên các điện thoại không có khả năng kết nối hoạt động với điện thoại GSM hoạt động trong các mạng ở tần số 900 MHz hay 1800 MHz. Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục được với các máy điện thoại đa băng hoạt động trong nhiều tần số. Vào đầu năm 1980, thị trường hệ thống điện thoại tế bào tương tự đã phát triển rất nhanh ở Châu Âu. Mỗi một nước đã phát triển một hệ thống tế bào độc lập với các hệ thống của các nước khác. Sự phát triển không được hợp tác của các hệ thống thông tin di động quốc gia có nghĩa là sẽ không có khả năng cho thuê bao sử dụng cùng một máy di động cầm tay khi di chuyển giữa các nước thuộc liên minh châu âu với nhau. Không chỉ các thiết bị di động bị hạn chế khai thác trong biên giới quốc gia, mà còn có một thị trường rất hạn chế đối với mỗi kiểu thiết bị, vì thế tiết kiệm chi phí có thể không thực hiện được. Ngoài một thị trường trong nước đầy đủ với các mẫu chung, có thể không có một nhà chế tạo nào cạnh tranh được trên thị trường thế giới. Hơn nữa, chính phủ các nước nhận thức rõ là các hệ thống thông tin không tương thích có thể cản trở tiến trình để đạt được một tầm nhìn chiến lược của họ về một Châu Âu với nền kinh tế thống nhất. Với những cân nhắc nêu trên, hội nghị điện thoại điện báo gồm 26 quốc gia Châu Âu (CEPT) đã thành lập một nhóm nghiên cứu gọi là Groupe Speciale Mobile vào năm 1982 để nghiên cứu và phát triển một hệ thống thông tin liên Châu Âu. Đến năm 1986 tình hình trở nên khả quan hơn vì một số mạng tế bào ‐ 2 - tương tự hiện tại có thể sử dụng hết dung lượng vào năm 1990. CEPT khuyến nghị rằng hai khối tần số trong băng tần 900 MHz được dự trữ cho hệ thống mới. Tiêu chuẩn GSM chỉ rõ các băng tần từ 890 đến 915MHz cho băng thu và từ 935 đến 960 MHz cho băng phát với mỗi băng được chia thành các kênh 200 KHz. Hệ thống thông tin di động được CEPT đưa ra đã đáp ứng được các tiêu chuẩn như sau: - Cung cấp âm thoại chất lượng cao. - Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế. - Hỗ trợ các thiết bị đầu cuối cầm tay. - Hỗ trợ một loạt các dịch vụ và các thiết bị mới. - Cung cấp hiệu quả phổ tần số. - Cung cấp khả năng tương thích với ISDN. - Cung cấp với chi phí dịch vụ và đầu cuối thấp. Vào năm 1989, việc phát triển các đặc tính kỹ thuật của GSM đã được chuyển từ CEPT đến Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI). ETSI được thành lập vào năm 1988 để thiết lập các tiêu chuẩn viễn thông cho Châu Âu và hợp tác với các tổ chức tiêu chuẩn khác, các lĩnh vực liên quan đến truyền hình và công nghệ thông tin văn phòng. ESTI đã ấn bản các đặc tính kỹ thuật giai đoạn 1 của GSM vào năm 1990. Dịch vụ thương mại đã bắt đầu vào giữa năm 1991. Đến năm 1993 đã có 36 mạng GSM tại 22 nước, và thêm 25 nước đã lựa chọn hoặc bắt đầu GSM. Từ đó, GSM đã được chấp nhận ở Nam Phi, Úc, và rất nhiều nước vùng Trung Đông và Viễn Đông. Tại Bắc Mỹ, GSM được dùng để thực hiện PCS. Đến cuối năm 1998 đã có 323 mạng GSM ở 118 nước phục vụ cho 138 triệu thuê bao, đến nay đã có hơn 2 tỉ người dùng trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Hệ thống GSM được gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobilephone communications). Năm 1993 GSM đã có mặt tại Việt Nam, đánh dấu một sự kiện quan trọng trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá nước nhà. Ban đầu là VNPT sau đó là nó phát triển thêm một vài mạng khác. Đến hiện nay thì ở Việt Nam đã có ‐ 3 - các nhà mạng như Viettel, Vinaphone, Mobile, Gmobile Mạng thông tin di động GSM là mạng thông tin di động số Cellular gồm nhiều ô (cell). Cell là đơn vị nhỏ nhất của mạng, có hình dạng (trên lý thuyết) là một tổ ong hình lục giác. Trong mỗi cell có một đài vô tuyến gốc BTS (Base Transceiver Station) liên lạc với tất cả các trạm di động MS (Mobile Station) có mặt trong cell. Khi MS di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của cell, nó phải được chuyển giao sang làm việc với BTS của cell khác. Đặc điểm của hệ thống thông tin di động Cellular là việc sử dụng lại tần số và diện tích của mỗi cell khá nhỏ. Mỗi cell sử dụng một nhóm tần số kênh vô tuyến. Các chữ cái A, B, C, vừa là tên của cell, vừa biểu thị một nhóm xác định các tần số vô tuyến được sử dụng trong cell đó. Nhóm tần số được sử dụng nhiều lần cho các cell với khoảng cách đủ lớn, công suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau không đáng kể. Thông thường, một cuộc gọi di động không thể kết thúc trong một cell nên hệ thống thông tin di động cellular phải có khả năng điều khiển và chuyển giao (handover) cuộc gọi từ cell này sang cell lân cận mà cuộc gọi được chuyển giao không bị gián đoạn. 1.1.2. Các chức năng của hệ thống GSM Các đặc tính chủ yếu của hệ thống GSM như sau: • Có thể phục vụ được một số lớn các dịch vụ và tiện ích cho thuê bao cả trong thông tin thoại và truyền số liệu. * Đối với thoại có thể có các dịch vụ: - Chuyển hướng cuộc gọi vô điều kiện - Chuyển hướng cuộc gọi khi thuê bao di động bận - Cấm tất cả các cuộc gọi ra quốc tế - Giữ cuộc gọi. - Thông báo cước phí. - Nhận dạng số chủ gọi * Đối với dịch vụ số liệu: ‐ 4 - - Truyền số liệu - Dịch vụ nhắn tin: các gói thông tin có kích cỡ 160 ký tự có thể lưu giữ. • Sự tương thích của các dịch vụ trong GSM với các dịch vụ của mạng sẵn có: * PSTN – Publich Switched Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng). * ISDN – Integrated Service Digital Network (mạng số tổ hợp dịch vụ) bởi các giao diện theo tiêu chuẩn chung. Cho phép các thuê bao lưu động (roaming) ở các nước với nhau cùng sử dụng hệ thống GSM một cách hoàn toàn tự động. Nghĩa là thuê bao có thể mang máy di động đi mọi nơi và mạng sẽ tự động cập nhật thông tin về vị trí của thuê bao đồng thời thuê bao có thể gọi đi bất cứ nơi nào mà không cần biết thuê bao khác đang ở đâu. • Sử dụng băng tần 900 MHz với hiệu quả cao bởi sự kết hợp giữa hai phương pháp TDMA, FDMA. • Giải quyết sự hạn chế dung lượng: Thực chất dung lượng sẽ tăng lên nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật chia ô nhỏ, do vậy số thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên. • Tính linh hoạt cao nhờ sử dụng các loại máy thông tin di động khác nhau: máy cầm tay, máy xách tay, máy đặt trên ô tô • Tính bảo mật: Mạng kiểm tra sự hợp lệ của mỗi thuê bao GSM bởi thẻ đăng ký SIM (Subcriber Identity Module). Thẻ SIM sử dụng mật khẩu PIN (Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sử dụng hợp pháp. SIM cho phép người sử dụng sử dụng nhiều dịch vụ và cho phép người dùng truy nhập vào các PLMN (Public Land Mobile Network) khác nhau. Đồng thời trong hệ thống GSM còn có trung tâm nhận thực AuC, trung tâm này cung cấp mã bảo mật chống nghe trộm cho từng đường vô tuyến và thay đổi cho từng thuê bao. ‐ 5 - 1.1.3. Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động GSM: Hình 1.1- Băng tần cơ bản và mở rộng của GSM Hệ thống GSM làm việc trong băng tần 890 – 960MHz. Băng tần này được chia làm 2 phần: - Băng tần lên (Uplink band): 890 – 915 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm di động đến hệ thống trạm thu phát gốc. - Băng tần xuống (Downlink band): 935 – 960 MHz cho các kênh vô tuyến từ trạm thu phát gốc đến trạm di động. Mỗi băng rộng 25MHz, được chia thành 124 sóng mang. Các sóng mang cạnh nhau cách nhau 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt, một cho đường lên, một cho đường xuống. Các kênh này được gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa hai tần số là không đổi và bằng 45MHz, được gọi là khoảng cách song công. Kênh vô tuyến này mang 8 khe thời gian mà mỗi khe thời gian là một kênh vật lý để trao đổi thông tin giữa trạm thu phát và trạm di động. Ngoài băng tần cơ sở như trên còn có băng tần GSM mở rộng và băng tần DCS (Digital Cellular System). ‐ 6 - Hình 1.2 – Băng tần lên và băng tần xuống. 1.1.4. Phương pháp truy nhập trong thông tin Ở giao diện vô tuyến, MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến. Để tài nguyên tần số có hạn có thể phục vụ càng nhiều thuê bao di động, ngoài việc sử dụng lại tần số, số kênh vô tuyến được dùng theo kiểu trung kế. Hệ thống trung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục vụ ít hơn số người dùng khả dĩ. Phương thức để sử dụng chung các kênh gọi là phương pháp đa truy nhập: người dùng khi có nhu cầu thì được đảm bảo về sự truy nhập vào trung kế. • Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access): Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau. Phổ tần số được chia thành 2N dải tần số con kế tiếp, cách nhau một khoảng bảo vệ. Mỗi dải tần được gán cho một kênh liên lạc, trong đó kênh tần số N dành cho liên lạc hướng lên, N kênh tần số còn lại cho liên lạc hướng xuống. Mỗi người dùng được cấp phát một kênh tần số riêng biệt trong tập hợp các kênh tần số. ‐ 7 - Hình 1.3 - Tổ chức một khung TDMA • Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access): Khi có yêu cầu một cuộc gọi thì một kênh vô tuyến được ấn định. Các thuê bao khác nhau dùng chung 1 kênh tần số nhờ cài xen thời gian. Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian (time slot) trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe. Hình 1.4 - Phân khung TDMA • Đa truy nhập theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): Là phương ‐ 8 - pháp trải phổ tín hiệu, thực hiện là gán cho mỗi MS một mã riêng biệt cho phép nhiều MS cùng thu, phát độc lập trên một băng tần nên tăng dung lượng cho hệ thống. Hiện tại công nghệ CDMA đang được triển khai tại một số quốc gia. Tại Việt Nam hiện có mạng thông tin di động S-Fone của công ty Cổ phần Viễn thông Sài Gòn (SPT) và mạng EVN – Telecom của Công ty Thông tin Viễn thông Điện Lực đã sử dụng công nghệ này.(Hiện nay công nghệ CDMA không còn được sử dụng cho các mạng viễn thông ở Việt Nam). Ngoài ra còn có phương pháp truy nhập theo không gian SDMA. Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA kết hợp FDMA. 1.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM. 1.2.1. Cấu trúc hệ thống Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng. Mạng GSM được phân chia thành các phân hệ: PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng ISDN : Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ ‐ 9 - PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng • Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem) bao gồm các khối chức năng: - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile - Switching Center) - Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register) - Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register) - Trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center) - Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identification - Register) - Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng GMSC (Gateway Mobile Switching Center). • Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) bao gồm các khối: - Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Center) - Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) • Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS (Operation and Support - System) bao gồm các khối chức năng: - Trung tâm quản lý mạng NMC (Network Management Center) - Trung tâm quản lý và bảo dưỡng OMC (Operation & Maintenance Center). • Trạm di động MS (Mobile Station): - Thiết bị di động ME (Mobile Equipment) - Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module) 1.2.2. Chức năng các phần tử trong mạng GSM 1.2.2.1. Phân hệ chuyển mạch NSS Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM và các mạng khác. • Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báo hiệu của MS nằm trong vùng địa lý do MSC quản lý. MSC khác với một tổng đài cố định là nó phải điều phối cung cấp các tài nguyên vô tuyến cho thuê bao và ‐ 10 - [...]... của bảo mật GSM là giảm thiểu các rủi ro trên bằng các cơ chế: • Xác thực vào dịch vụ di động • Mã hóa các thông tin trao đổi trên môi trường radio 2.1.2 Xác thực chủ thể thuê bao Trước khi được cho phép vào mạng, mạng di động sẽ xác thực máy di động đầu cuối bằng các bước như sau: • Thiết bị di động gửi mã IMSI (lấy từ SIM) vào mạng di động đăng ký (trạm thu phát sóng gần nhất) • Mạng di động nhận dạng... Ki + Thông tin thay đổi: * Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI * Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI Một số TMSI sẽ tương ứng với một IMSI được cấp phát tạm thời để tăng tính bảo mật cho quá trình báo hiệu giữa MS và hệ thống TMSI sẽ thay đổi khi MS cập nhật lại vị trí 1.3 MẠNG BÁO HIỆU VÀ CÁC KHÍA CẠNH MẠNG 1.3.1 Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM Mạng thông tin di động GSM sử dụng hệ thống. .. sát và giải phóng cuộc gọi Báo hiệu số 7 là mạng dữ liệu chuyển mạch gói được thiết kế để trao đổi báo hiệu • Các giao thức giữa BSC-BTS-MS Các giao thức này sử dụng trong các giao di n Um và Abis theo chuẩn của ETSI Các giao thức này hỗ trợ các chức năng của BTS và BSC như sau: - Gửi các thông tin của mạng và cell Thông tin được cập nhật từ BSC, truyền liên tục tới BTS và lưu trong BTS - Nhắn tin: ... gửi các bản tin cập nhật và các MS được nhắn trong các cell của vùng định vị Các thủ tục cập nhật và định tuyến cuộc gọi thực hiện trong MSC, VLR và ‐ 19 - HLR Khi MS vào một LA mới hoặc PLMN của một nhà vận hành khác, nó phải đăng ký với mạng để chỉ ra vị trí hiện tại của mình Thông thường, bản tin cập nhật vị trí được gửi tới MSC/VLR mới mà lưu các thông tin về vùng định vị, sau đó gửi các thông tin. .. một card điện tử thông minh được cắm vào ME để nhận dạng thuê bao và tin tức bảo vệ loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký SIM có phần cứng ‐ 14 - và phần mềm cần thiết với bộ nhớ có thể lưu trữ thông tin Có hai loại thông tin là thông tin cố định và thông tin thay đổi: + Thông tin cố định: * Số nhận dạng thuê bao MSISDN, IMSI Thuê bao sẽ được kiểm tra tính hợp lệ trước khi truy nhập vào mạng thông qua số nhận... khai thác, bảo dưỡng và quản lý toàn hệ thống • Trung tâm quản lý mạng NMC NMC được đặt tại trung tâm của hệ thống, chịu trách nhiệm cung cấp chức năng quản lý cho toàn bộ mạng - Giám sát các nút trong mạng ‐ 13 - - Giám sát các trạng thái các bộ phận của mạng - Giám sát trung tâm bảo dưỡng và khai thác OMC của các vùng và cung cấp thông tin đến các bộ phận OMC • Trung tâm quản lý và khai thác OMC OMC... một mã số nhận dạng tạm thời TMSI được sử dụng trong suốt các quá trình trao đổi thông tin giữa thiết bị di động và mạng di động (kể cả khi thiết bị di động di chuyển và gia nhập vào trạm thu nhận sóng mới) 2.1.3 Mã hóa cuộc gọi GSM sử dụng một khóa đặc biệt nhằm mã hóa cuộc gọi và dữ liệu trên môi trường sóng radio đầy rủi ro bị nghe lén Khi thiết bị di động đã được xác thực, một mã số bí mật được tạo... một bản tin ngắn được gửi qua kênh PAGCH của cell Một phần của kênh được sử dụng để nhắn trong mỗi cell trong mạng, một phần được dùng để MS truyền các bản tin cập nhật vị trí ở cấp độ cell tới mạng Do đó các bản tin nhắn được gửi chính xác tới một cell nhưng sẽ rất lãng phí băng thông do số lượng các bản tin cập nhật vị trí lớn Một giải pháp được thực hiện trong GSM là nhóm các cell thành các vùng... các tín hiệu điều khiển này được gửi liên tục từ BTS Giao di n vô tuyến cũng có các chức năng: mã hoá kênh, ghép kênh, quản lý Burst, TDMA và điều chế • Các giao thức giữa MSC-BSC và MSC-MS: Giao thức báo hiệu BSSAP chứa các phần tử sau: các bản tin BSSMAP, DTAP và INTIAL MS - Các bản tin DTAP trao đổi giữa MSC và MS để đăng ký và nhận thực khi MS tắt Các bản tin TDAP được chuyển qua BSC và BTS - Các. .. điều khiển và giám sát các bộ phận trong mạng (các BTS, MSC, các cơ sở dữ liệu ) OMC có các chức năng: quản lý cảnh báo, quản lý sự cố, quản lý chất lượng, quản lý cấu hình và quản lý bảo mật 1.2.2.4 Trạm di động MS MS là thiết bị đầu cuối chứa các chức năng vô tuyến chung, xử lý giao di n vô tuyến và cung cấp các giao di n với người dùng (màn hình, loa, bàn phím ) Một trạm di động gồm hai phần chính: . - CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1.1.1. Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) GSM trước. SDMA. Mạng GSM sử dụng phương pháp TDMA kết hợp FDMA. 1.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM. 1.2.1. Cấu trúc hệ thống Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng. Mạng GSM được. MS và hệ thống. TMSI sẽ thay đổi khi MS cập nhật lại vị trí. 1.3. MẠNG BÁO HIỆU VÀ CÁC KHÍA CẠNH MẠNG 1.3.1. Các giao thức báo hiệu trong hệ thống GSM Mạng thông tin di động GSM sử dụng hệ thống